СПОСОБ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ДОЛГОЖИВУЩЕГО ГЛОБАЛЬНОГО РАДИОНУКЛИДА С В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ Российский патент 2015 года по МПК G01N21/3504 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в атомной энергетике, охране окружающей среды для высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C в газовой фазе технологического процесса переработки отработавшего ядерного топлива в режиме реального времени.

В настоящее время все большую актуальность приобретает проблема обеспечения экологической безопасности предприятий, перерабатывающих облученное ядерное топливо. В частности, это связано с рядом химических соединений, выделяющихся на таких предприятиях в газообразном виде, которые включают в себя так называемые глобальные радионуклиды - радиоактивные вещества с большим периодом полураспада, представляющие существенную опасность для человека. К данным долгоживущим нуклидам относятся ¹²⁹I, ¹⁴C, ⁸⁵Kr и ³Н.

Долгоживущий радионуклид ¹⁴C (период полураспада 5730 лет) является глобальным радионуклидом. Данный изотоп ¹⁴C представляет собой слабый β-излучатель с максимальной энергией частиц 156 кэВ. При переработке ОЯТ ¹⁴C образуется в газовой фазе технологического потока и находится в нем, преимущественно (свыше 95%) в молекулярной форме - в виде молекулы CO₂ [1]. При этом важно, что в газовом технологическом потоке одновременно присутствуют изотопы углерода-14 и углерода-12, вследствие чего возникает задача селективного мониторинга ¹⁴CO₂ в смеси с ¹²CO₂.

Существует масс-спектрометр и способ прямого измерения соотношения изотопов том числе изотопов ¹⁴C [2], который дает прямое соотношение изотопов в атомном моноэнергетическом пучке отрицательных ионов при пропускании их через столкновительную ячейку при удельных кинетических энергиях, при которых относительное соотношение положительных ионов из отрицательных ионов вычисляется по изотопной массе пар изотопов ¹⁴С и ¹³С, или пар изотопов ¹⁴С и ¹²С, или пар изотопов ¹³C и ¹²C или всех трех изотопов ¹²С, ¹³С и ¹⁴С по предложенным формулам.

Более детально метод обнаружения и количественной оценки изотопов углерода описан в [3], где его количество менее 1·10^-12 г при статистической точности не более чем 5% определяется в течение периода времени около пяти минут, причем указанный способ включает производство углеродного соединения, выбранного из группы веществ, состоящей из элементарного углерода, СО, CS₂ и CO₂ для анализа, производства и обнаружения достаточного количества С-ионов из углеродного соединения с известной эффективностью, чтобы обеспечить по меньшей мере 80 отсчетов в минуту методом масс-спектрометрии ионов изотопов углерода. Увеличение точности определения количества изотопа углерода предполагает пропорциональное увеличение до 10000 отсчетов в минуту для ионов углерода-14.

Наиболее современным из масс-спектрометрических вариантов детектирования углерода ¹⁴C является метод детектирования В-активности изотопа углерода ¹⁴C [4], заключающийся в отборе образца материала массой М. В данном методе проводят измерение отсчетов бета-сигналов без поглощающего элемента для бета-излучения и измерение экранированного от детектора образца, при этом экран поглощает бета-излучение с энергией до 0,2 МэВ. Концентрацию изотопа углерода C14 определяют по предложенным формулам.

Недостатком приведенных выше методов является невозможность проводить измерения в реальном масштабе времени, поскольку требуется предварительная подготовка исследуемых образцов.

Существует способ и устройство детектирования изотопов и определение соотношения изотопов с помощью рамановской спектроскопии (спектроскопии комбинационного рассеяния) двух близко расположенных спектральных линий [5]. В конкретных вариантах осуществления возможно обнаружение изотопа ¹³C в преобразованном продукте. Описаны варианты осуществления, включающие диагностическое определение соотношения ¹³CO₂/¹²CO₂ в исследуемом образце. В частности, предлагается использовать первый спектральный сигнал рамановской линии ¹²CO₂ на частоте излучения 1388,2 см^-1 и второй спектральный сигнал рамановской линии ¹³CO₂ на частоте излучения 1370,02 см^-1, при возбуждении лазерным источником, настроенным на частоту излучения 12574 см^-1. В данном патенте нет варианта детектирования углерода-14.

Предлагается способ разделение изотопов путем фотопреддиссоциации [6], в котором монохроматический источник возбуждает отдельные линии в изотопно хорошо разрешенном спектре поглощения, для которых верхнее состояние является диссоциирующим. Например, разделение изотопов водорода и дейтерия осуществляется путем возбуждения формальдегида с помощью излучения на удвоенной частоте рубинового лазера. Данный патент приведен также в качестве примера схемы лазерного разделения (а значит и детектирования) изотопов ¹³СО, ¹⁴СО и C¹⁸O из формальдегида. Недостатком данного патента является отсутствие упоминания конкретных значений длин волн источника излучения для детектирования указанных изотопов.

Способ определения ¹⁴C в смеси газов и устройство для его реализации [7] предусматривает, что ¹⁴C изотопы присутствуют в виде молекулярной составляющей, в частности ¹⁴CO₂ или ¹⁴СН₄. Газовую смесь направляют в измерительном ячейку, в которую подается инфракрасное лазерное излучение, и измеряют излучение на выходе из ячейки. Лазерное излучение направлено в измерительную ячейку таким образом, что оно проходит через нее множество раз, взаимодействуя с газовой смесью, и поступает на детектор для определения поглощения лазерного излучения в газовой смеси для определения содержания ¹⁴C. Для генерации лазерного излучения используется импульсный лазер, который, испускает лазерные импульсы с длительностью менее 5 мкс или менее 500 нс. Длина волны лазерного излучения лежит в диапазоне волновых чисел от 200 см^-1 и 4000 см^-1, в частности, являются наиболее эффективным диапазон от 2000 см^-1 до 4000 см^-1, или от 2000 см^-1 до 3200 см^-1. Содержание ¹⁴С определяется путем измерения отношения ¹⁴C/¹²C или отношения ¹²С/¹⁴С. Недостатком данного патента является отсутствие упоминания конкретных значений длин волн источника излучения для эффективного детектирования указанных изотопов ¹⁴СО₂ или ¹⁴СН₄, а газовую смесь получают окислением образца, так что она содержит ¹⁴CO₂, или восстановлением образца, так что она содержит ¹⁴СН₄, т.е. тратится некоторое время на подготовку газовой смеси.

Метод изотопного анализа [8] позволяет проводить измерение изотопного состава многоатомных изотопозамещенных молекул, таких как CO₂, с помощью поддержания анализируемого вещества в таком состоянии, что изотопозамещенные молекулы присутствуют в возбужденном состоянии, например за счет электрического разряда. Направляют свет на них на длинах волн, соответствующих энергии перехода в возбужденное состояние изотопозамещенных молекул с различными изотопами. Взаимодействие между анализируемым веществом и светом на различных длинах волн контролируется с помощью оптогальванического эффекта, вызванного светом различных длин волн. Свет может быть обеспечен молекулярным лазером, включая изотопозамещенные молекулы, в частности оксидов углерода. Недостатком данного патента, не смотря на указание в качестве источников упомянутых выше лазеров, является отсутствие данных о конкретных значениях длин волн источника излучения для эффективного детектирования изотопа ¹⁴С.

К области лазерной спектроскопии относится также способ определения относительной концентрации изотопомеров двуокиси углерода ¹²CO₂ и ¹³CO₂ и устройство для его осуществления [9]. В способе оптическую частоту лазера периодически сканируют в аналитическом спектральном диапазоне посредством модуляции величины тока накачки, регистрируют лазерный спектр пропускания среды, содержащий линии поглощения молекул ¹²CO₂ и ¹³CO₂, рассчитывают спектр коэффициента поглощения в линиях, при этом учитывают интенсивность лазерного излучения вне аналитических линий поглощения. Устройство включает в себя перестраиваемый полупроводниковый лазер, блок накачки и управления спектральными и мощностными параметрами излучения перестраиваемого полупроводникового лазера, блок детектирования лазерного излучения, блок предварительного усиления регистрируемого радиочастотного сигнала, блок обработки лазерных спектров пропускания. Техническим результатом изобретения является упрощение определения относительной концентрации молекул ¹²CO₂ и ¹³CO₂, при спин-селективных процессах взаимодействия воды с поверхностью, сорбентами и сложными биологическими молекулами. Недостатком данного патента является отсутствие значений длин волн источника излучения для эффективного детектирования изотопа ¹⁴C.

Недавно предложен близкий по сути, описанному выше, способ сравнения относительного содержания изотопомеров ¹²CO₂ и ¹³CO₂ в образцах газовых смесей и устройство для сравнения относительного содержания изотопомеров ¹²CO₂ и ¹³CO₂ в образцах газовых смесей [10]. Изобретение применимо для измерений относительной концентрации изотопомеров ¹²CO₂ и ¹³CO₂ в выдыхаемом воздухе с целью биомедицинской диагностики. Способ включает измерения резонансного поглощения молекул ¹²CO₂ и ¹³CO₂ с использованием перестраиваемого полупроводникового лазера, оптическую частоту которого периодически сканируют в аналитическом спектральном диапазоне. Прошедшее через кюветы с исследуемой и референсной смесями излучение детектируют с помощью фотоприемников, регистрируя первую и/или вторую производные спектров пропускания. Изобретение позволяет осуществить анализ сравниваемых образцов газовых смесей одновременно и синхронно, с достаточной чувствительностью, а также повышенной точностью, селективностью, скоростью и информативностью измерений. Для этого блок пространственного разделения лазерного излучения выполнен с возможностью разделения излучения, выходящего из лазера, и получения одного дополнительного - третьего, или двух дополнительных - третьего и четвертого лучей, с подачей одного из дополнительных лучей непосредственно на дополнительный блок детектирования лазерного излучения в опорном канале для получения опорного сигнала. Недостатком данного патента, так же как и для предыдущего, является отсутствие значений длин волн источника излучения для эффективного детектирования изотопа ¹⁴C.

Существует способ лазерного дистанционного обнаружения нейтронных потоков на радиационно опасных объектах [11]. Данный способ обнаружения нейтронных потоков основан на зондировании объема воздушной среды (или газовой кюветы), подвергшегося воздействию нейтронного потока, лазерным излучением и регистрации его поглощения продуктами радиационных процессов. В качестве поглощающего продукта используют изотоп двуокиси углерода ¹⁴CO₂, образующийся при захвате нейтронов ядрами молекул азота с последующим окислением кислородом воздуха. В качестве источника зондирующего излучения предложено использовать лазер на изотопе ¹⁴CO₂. Недостатком выбранного варианта детектирования является тот факт, что лазер на изотопе ¹⁴CO₂ излучает по данным самих авторов в диапазоне длин волн от 11,33 до 13,46 мкм, где молекула ¹⁴CO₂ по нашим измерениям не поглощает в принципе.

Существует метод детектирования изотопов углерода ¹³C и ¹²C в аналитическом диапазоне вблизи 2 мкм [12] при атмосферном давлении методом диодной лазерной спектроскопии с применением трехканальной схемы и многопроходной кюветы. Образцом для исследований служил воздух, выдыхаемый человеком, а источником излучения диодный лазер на основе соединения InGaAlAs/InP. Принцип работы измерительной установки основан на использовании трех оптических каналов. Первый канал является аналитическим, его образуют кювета Эриотта объемом 150 см³ и длиной оптического пути 8 м, заполненная исследуемым газом, и регистрирующий прошедшее через нее излучение лазера. Второй канал включает кювету, содержащую чистый (эталонный) CO₂. При регистрации прошедшего через нее лазерного излучения производится калибровка частоты излучения лазера. Регистрация излучения в третьем канале позволяет контролировать мощность излучения лазера. Измерения концентраций изотопов ¹³C и ¹²C проводились путем сравнения экспериментальных спектров и спектров, полученных для известных концентраций данных изотопов (на основе базы данных HITRAN). Погрешность определения отношения ¹³C и ¹²C составила 0,04%. Недостатком данного метода является то, что сечение поглощения в аналитическом диапазоне вблизи 2 мкм на два порядка меньше чем вблизи 4.35 мкм. Однако есть и преимущества - источники лазерного излучения и фотоприемники не требуют вблизи криогенного охлаждения. Но самым главным является отсутствие значений длин волн источника излучения для эффективного детектирования изотопа ¹⁴C.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения компонентного состава природного газа в реальном масштабе времени [13]. Поставленная задача решается путем цикличного во времени или одновременного измерения поглощения излучения анализируемым газом на различных комбинациях длин волн (от восьми до девяти длин волн в каждой комбинации) инфракрасного спектрального диапазона, соответствующих центрам полос поглощения компонентов природного газа, в том числе CO₂. Предварительное измерение поглощения излучения проводится на семи длинах волн, при этом длину волны λ₁ поддерживают в диапазоне от 7,6 мкм до 7,8 мкм, λ₂ поддерживают в диапазоне от 6,898 мкм до 6,902 мкм, λ₃ поддерживают в диапазоне от 6,87 до 6,89 мкм, λ₄ поддерживают в диапазоне от 12,1 до 12,3 мкм, λ₅ поддерживают в диапазоне от 15,2 до 15,4 мкм, λ₆ поддерживают в диапазоне от 6,92 до 6,94 мкм и λ₇ поддерживают в диапазоне от 6,908 мкм до 6,912 мкм. При этом для первой категории природного газа, для которой доля метана равна или превышает 95% и для второй категории природного газа, для которой доля метана меньше 95% и выполняется соотношение n_e+n_pr>n_b+n_pent, где n_e, n_pr, n_b, n_pent - концентрации этана, пропана, бутана и пентана в анализируемом газе соответственно, окончательное измерение интенсивностей излучения проводят на восьми длинах волн, где λ₁-λ₇ указаны выше, а длину волны λ₈ поддерживают в диапазоне от 10,518 мкм до 10,522 мкм для первой категории природного газа и в диапазоне от 13,66 до 13,76 мкм для второй категории природного газа. Для третьей категории природного газа, для которой доля метана меньше 95% и выполняется соотношение n_e+n_pr<n_b+n_pent, окончательное измерение интенсивностей излучения проводят на девяти длинах волн, где λ₁-λ₇ указаны выше; длину волны λ₈ поддерживают в диапазоне от 13,66 до 13,76 мкм, а длину волны λ₉ поддерживают в диапазоне от 10,508 мкм до 10,512 мкм. Недостатком данного патента является невозможность детектирования концентрации молекул ¹⁴CO₂ с помощью излучения с указанной выше длиной волны λ₅ с необходимой точностью.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание способа высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C в газовой фазе технологического процесса переработки отработавшего ядерного топлива в режиме реального времени.

Поставленная задача решается путем измерения поглощения инфракрасного излучения анализируемой смесью газов, содержащей ¹⁴CO₂ или ¹⁴CO, пропускаемой через однопроходную или многопроходную кювету, при этом измерение коэффициента поглощения излучения проводится в диапазоне длин волн от 1,94 до 2,18 мкм, или от 2,50 до 2,80 мкм, или от 4,00 до 4,50 мкм, или от 14,00 до 17,00 мкм для молекул ¹⁴CO₂, и в диапазоне длин волн от 2,30 до 2,50 мкм или от 4,50 до 5,10 мкм для молекул ¹⁴CO. Выбор этих диапазонов обусловлен исследованиями, проведенными авторами предлагаемого изобретения, которые показали, что среди основных компонентов, образующихся в процессах переработки отработавшего ядерного топлива, следует выделить CO₂, CO, H₂O, NO₂, N₂O, HNO₃, NO, HI, HCl. Таким образом, только первые два газа могут содержать глобальный радионуклид ¹⁴C. Выбранные диапазоны поглощения имеют только частично пересекающиеся полосы поглощения указанных газов, при этом наиболее сильные полосы поглощения CO₂ и CO доступны для детектирования.

Вторым важным фактором, влияющим на возможность детектирования долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C в газовой фазе, является изотопный сдвиг спектров поглощения ¹⁴CO₂ и ¹²CO₂, ¹⁴CO и ¹²СО. В частности, в диапазоне длин волн от 1,94 до 2,18 мкм, молекулы ¹⁴CO₂ и ¹²CO₂ имеют изотопный сдвиг 0,07 мкм, который постепенно увеличивается с ростом длины волны полос поглощения, достигая 0,9 мкм в диапазоне длин волн от 14,00 до 17,00 мкм. Аналогично, молекулы ¹⁴СО и ¹²СО имеют изотопный сдвиг 0,1 мкм, в диапазоне длин волн от 2,30 до 2,50 мкм и 0,2 мкм в диапазоне длин волн от 4,50 до 5,10 мкм. Такие достаточно большие значения изотопных сдвигов позволяют детектировать изотопозамещенные молекулы ¹⁴CO₂ и ¹⁴СО в смеси со стабильными ¹²СО и ¹²СО₂.

Согласно изобретению наиболее простой вариант точного определения концентрации долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴С при парциальных давлениях ¹⁴CO₂, лежащих в диапазоне от 0,1 до 1,0 атм и общем давлении 1 атм анализируемой смеси решается путем измерения поглощения инфракрасного излучения, проводимой в однопроходной кювете, в диапазоне длин волн от 14,9 до 15,0 мкм при точности измерения 0,02 мкм.

Согласно изобретению другой вариант точного определения концентрации долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C предусматривает измерение поглощения инфракрасного излучения, проводимое при парциальных давлениях ¹⁴CO₂, лежащих в диапазоне от 0,5 до 1,0 атм и общем давлении 1 атм, при этом измерение коэффициента поглощения осуществляется в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от 4,00 до 4,50 мкм при точности измерения 0,0002 мкм, или в диапазоне длин волн от 14,00 до 17,00 мкм при точности измерения 0,002 мкм, а в многопроходной кювете в диапазонах длин волн от 1,94 до 2,18 мкм или 2,50 до 2,80 мкм, при точности измерения 0,00004 мкм.

Третьим важным фактором, влияющим на возможность детектирования долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C в газовой фазе, является необходимость измерения коэффициента поглощения при давлениях меньше атмосферного для точной идентификации линий поглощения ¹⁴CO₂ на фоне ¹²CO₂, а также линий поглощения ¹⁴СО на фоне ¹²СО. Известно, что при уменьшении общего давления линии поглощения газов сужаются, и поэтому накладывающиеся спектры поглощения становятся разрешимы. Однако повышаются требования к спектральной точности измерения коэффициента поглощения. В этом случае возможно использование полупроводниковых лазеров с небольшим диапазоном перестройки длины волны излучения.

Согласно изобретению следующий вариант точного определения концентрации долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴С предусматривают измерение поглощения инфракрасного излучения, проводимое при парциальных давлениях ¹⁴CO₂, лежащих в диапазоне от 0,1 до 0,5 атм и общем давлении до 0,5 атм, при этом измерение коэффициента поглощения осуществляется в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от 4,00 до 4,50 мкм при точности измерения 0,00004 мкм, или в диапазоне длин волн от 14,00 до 17,00 мкм при точности измерения 0,0004 мкм, а в многопроходной кювете в диапазонах длин волн от 1,94 до 2,18 мкм или 2,50 до 2,80 мкм, при точности измерения 0,00001 мкм. Кроме этого, еще один вариант точного определения концентрации долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C предусматривают измерение поглощения инфракрасного излучения, проводимое при парциальных давлениях ¹⁴CO₂, лежащих в диапазоне от 0,01 до 0,1 атм и общем давлении до 0,1 атм, при этом измерение коэффициента поглощения осуществляется в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от 4,00 до 4,50 мкм при точности измерения 0,00001 мкм, или в диапазоне длин волн от 14,00 до 17,00 мкм при точности измерения 0,00006 мкм, а в многопроходной кювете в диапазонах длин волн от 1,94 до 2,18 мкм или 2,50 до 2,80 мкм при точности измерения 0,000004 мкм.

Согласно изобретению вариант точного определения концентрации долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C по линиям поглощения молекулы ¹⁴CO предусматривает измерение поглощения инфракрасного излучения, проводимое при парциальных давлениях парциальных давлениях ¹⁴CO, лежащих в диапазоне от 0,5 до 1,0 атм и общем давлении 1 атм, в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от 4,50 до 5,10 мкм при точности измерения 0,0001 мкм, а в многопроходной кювете в диапазоне длин волн от 2,30 до 2,50 мкм при точности измерения 0,00003 мкм. Другой вариант высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C по линиям поглощения молекулы ¹⁴CO предусматривает измерение поглощения инфракрасного излучения при парциальных давлениях ¹⁴CO, лежащих в диапазоне от 0,1 до 0,5 атм и общем давлении до 0,5 атм, в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от 4,50 до 5,10 мкм при точности измерения 0,00003 мкм, а в многопроходной кювете в диапазоне длин волн от 2,30 до 2,50 мкм при точности измерения 0,00001 мкм. Третий вариант высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C по линиям поглощения молекулы ¹⁴CO предусматривает измерение поглощения инфракрасного излучения при парциальных давлениях ¹⁴CO, лежащих в диапазоне от 0,01 до 0,1 атм и общем давлении до 0,1 атм, в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от 4,50 до 5,10 мкм при точности измерения 0,00001 мкм, а в многопроходной кювете в диапазоне длин волн от 2,30 до 2,50 мкм при точности измерения 0,000005 мкм.

На Фиг.1. изображены спектры поглощения ¹²CO₂, CO, H₂O, NO₂, N₂O, HNO₃, NO, HI, HCl, смоделированные с помощью базы данных HITRAN для диапазонов длин волн 1,7-2,3 мкм (Фиг.1а), 2,3-3,0 мкм (Фиг.1б), 3,0-7,0 мкм (Фиг.1в), 10,0-16,5 мкм (Фиг.1г).

На Фиг 2. изображены спектры поглощения ¹⁴CO₂, ¹³CO₂ и ¹²CO₂ в диапазоне длин волн от 14,00 до 17,00 мкм, из которого видно, что часть линий поглощения молекул ¹⁴CO₂ и ¹²CO₂ не перекрываются между собой, а значит, могут быть использованы для определения концентрации молекул как ¹⁴CO₂, так и ¹²CO₂ даже при невысоких (0,02 мкм) значениях спектральной точности измерения коэффициента поглощения.

На Фиг 3. изображены спектры поглощения ¹⁴CO₂, ¹³CO₂ и ¹²CO₂ в диапазоне длин волн от 1,94 до 2,18 мкм, из которого видно, что часть линий поглощения молекул ¹⁴CO₂ и ¹²CO₂ не перекрываются между собой, а значит, могут быть использованы для определения концентрации молекул как ¹⁴CO₂, так и ¹²CO₂.

На Фиг 4. в качестве примера изображена одна из линий поглощения молекулы ¹²CO₂ при различных значениях давления газа. Из Фиг.4 видно, что при уменьшении общего давления линии поглощения газов сужаются и поэтому накладывающиеся спектры поглощения становятся разрешимы. Однако, в этом случае необходимо увеличивать спектральную точность и чувствительность измерения коэффициента поглощения.

Заявляемый способ высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C в газовой фазе технологического процесса переработки отработавшего ядерного топлива в режиме реального времени осуществляется в следующей последовательности. Через однопроходную или многопроходную анализируемую газовую кювету с оптическими окнами для прохождения ИК излучения пропускается анализируемая газовая смесь, содержащая изотопологи CO₂ или CO. В частности, измерения коэффициента поглощения газовой смеси могут проводиться сразу во всем диапазоне длин волн от 2,0 до 17,0 мкм с помощью фурье-спектрометра ФСМ 1202. Для определения концентрации радионуклида ¹⁴C проводят сравнение полученных спектров с предварительно измеренными спектрами на том же самом приборе с такой же газовой кюветой, заполненной газовой смесью с известными концентрациями молекул ¹⁴CO₂ и ¹²CO₂ или ¹⁴СО и ¹²СО. Для увеличения разрешения спектральных линий измерения проводят при меньших давлениях.

Другой вариант реализации заявляемого способа высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴С в газовой фазе технологического процесса переработки отработавшего ядерного топлива в режиме реального времени осуществляется следующим образом (см. Фиг.5).

На Фиг 5. показано, что излучение перестраиваемого диодного инфракрасного лазера 1, промодулированное опто-механическим модулятором 2, разделяется делителем пучка 3. Часть лазерного излучения направляется через анализируемую газовую кювету 4 с анализируемой газовой смесью, содержащей изотопологи CO₂ или СО, и регистрируется фотоприемником 5. Таким образом, происходит контроль поглощенного лазерного излучения. Другая часть излучения, в свою очередь, делится на две части делителем пучка 6, при этом используется фотоприемник 7 для контроля мощности непоглощенного лазерного излучения и генерируется опорный сигнал для синхронного усилителя 8, а фотоприемник 9 регистрирует лазерное излучение, прошедшее через опорную газовую кювету 10, заполненную чистым (эталонным) ¹²CO₂ или ¹⁴CO₂ известной концентрации. Сигналы со всех фотоприемников, а также с синхронного усилителя поступают на аналогово-цифровой преобразователь 11 и обрабатываются на компьютере 12. Для увеличения разрешения спектральных линий так же как и в первом варианте измерения проводят при меньших давлениях в анализируемой газовой кювете.

В зависимости от выбранного диапазона измерения коэффициентов поглощения молекул CO₂ или СО выбираются: диапазон генерации перестраиваемого диодного инфракрасного лазера, окна пропускания анализируемой газовой кюветы, ее тип, регистрирующие фотоприемники.

Например, может быть использован лазер VL-2050-1-SQ-A5 фирмы Vertilas, излучающий вблизи длины волны 2,050 мкм.

Таким образом, проведенные исследования поглощения компонентов газовой фазы технологического процесса переработки отработавшего ядерного топлива позволили нам предложить способ высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C в газовой фазе в режиме реального времени, более точно определить диапазоны длин волн, в которых проведение измерений должно обеспечить как наилучшую чувствительность, так и наиболее высокую точность измерений концентраций углерода-14.

Литература, принятая во внимание при составлении заявки:

1. Лащевский И.О., Галкин Б.Я., Исупов В.К., Любцев Р.И. Опыт эксплуатации радиохимического корпуса и вопросы обеспечения радиационной безопасности персонала и охраны окружающей среды в процессах переработки ОЯТ. М.: ЦНИИатоминформ, 2000.

2. Vogel John Stephen. Mass Spectrometer and Method for Direct Measurement of Isotope Ratios, Заявка на патент США №20120211651 от 08/23/2012.

3. Anbar Michael, Abbott Robert С. Method for detecting and quantifying carbon isotopes, Патент США №4427884 от 01/24/1984.

4. Wahl Jürgen, Method for determining the β-activity of carbon isotope С14, Заявка на Европатент ЕР 2439557 от 04/11/2012.

5. Fink Manfred F., Varghese Philip L. DETECTING ISOTOPES AND DETERMINING ISOTOPE RATIOS USING RAMAN SPECTROSCOPY, Заявка на патент WIPO WO/2003/021214 от 03/13/2003.

6. Moore Bradley C., Yeung Edward S. Isotopic separation by photopredissociation, Патент США №3983020, от 09/28/1976.

7. Heyne Karsten, Beckmann Jens, Rubin Tom. METHOD FOR DETERMINING THE 14C CONTENT OF A GAS MIXTURE AND ARRANGEMENT SUITABLE THERE FOR, Заявка на патент WIPO WO/2011/023412 от 09/27/2012.

8. Murnick Daniel E. Method for isotopic analysis, Европатент EP 0556614, от 09/18/2002.

9. Степанов E.В., Ивашкин В.Т., Зырянов П.В. Способ определения относительной концентрации изотопомеров двуокиси углерода ¹²CO₂ и ¹³CO₂ и устройство для его осуществления, Патент РФ №2319136 от 10.03.2008.

10. Степанов Е.В. Способ сравнения относительного содержания изотопомеров ¹²CO₂ и ¹³CO₂ в образцах газовых смесей и устройство для сравнения относительного содержания изотопомеров ¹²CO₂ и ¹³CO₂ в образцах газовых смесей, Патент РФ №2453826 от 10.12.2011.

11. Перевозчиков А.Н., Мацюк Г.В., Палатов Ю.А., Шмелев А.Е. Способ лазерного дистанционного обнаружения нейтронных потоков на радиационно опасных объектах, Патент РФ №2180126 от 27.02.2002

12. Мирончук Е.С., Николаев И.В., Очкин В.Н., и др. Квантовая Электроника, Т.39, С.388 (2009).

13. Киреев С.В., Подоляко Е.М., Симановский И.Г., Шнырев С.Л. Способ определения компонентного состава природного газа в реальном масштабе времени, Патент РФ №2441219 от 27.01.2012.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в атомной энергетике, охране окружающей среды для высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C в газовой фазе технологического процесса переработки отработавшего ядерного топлива в режиме реального времени. Способ заключается в измерении коэффициента поглощения инфракрасного излучения анализируемой смесью газов, содержащей ¹⁴CO₂ или ¹⁴CO, пропускаемой через однопроходную или многопроходную кювету, при этом измерение коэффициента поглощения излучения проводится в диапазоне длин волн от 1,94 до 2,18 мкм, или от 2,50 до 2,80 мкм, или от 4,00 до 4,50 мкм, или от 14,00 до 17,00 мкм для молекул ¹⁴СО₂, и в диапазоне длин волн от 2,30 до 2,50 мкм или от 4,50 до 5,10 мкм для молекул ¹⁴СО. Выбор указанных диапазонов, спектральной точности и типа кюветы обусловлен наличием других основных газовых компонент, образующихся в процессах переработки отработавшего ядерного топлива, а также концентрацией молекул ¹⁴CO₂ или ¹⁴СО и значением общего давления в кювете.7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C в газовой фазе технологического процесса переработки отработавшего ядерного топлива в режиме реального времени, заключающийся в измерении поглощения инфракрасного излучения анализируемой смесью газов, содержащей ¹⁴CO₂ или ¹⁴СО, пропускаемой через однопроходную или многопроходную кювету, отличающийся тем, что измерение поглощения излучения проводится в диапазоне длин волн от 1,94 до 2,18 мкм, или от 2,50 до 2,80 мкм, или от 4,00 до 4,50 мкм, или от 14,00 до 17,00 мкм для молекул ¹⁴CO₂, и в диапазоне длин волн от 2,30 до 2,50 мкм или от 4,50 до 5,10 мкм для молекул ¹⁴СО.

2. Способ высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴С по п.1, отличающийся тем, что измерение поглощения инфракрасного излучения проводится при парциальных давлениях ¹⁴CO₂, лежащих в диапазоне от 0,1 до 1,0 атм и общем давлении 1 атм, в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от от 14,9 до 15,0 мкм при точности измерения 0,02 мкм.

3. Способ высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C по п.1, отличающийся тем, что измерение поглощения инфракрасного излучения проводится при парциальных давлениях ¹⁴CO₂, лежащих в диапазоне от 0,5 до 1,0 атм и общем давлении 1 атм, в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от 4,00 до 4,50 мкм при точности измерения 0,0002 мкм, или в диапазоне длин волн от 14,00 до 17,00 мкм при точности измерения 0,002 мкм, а в многопроходной кювете в диапазонах длин волн от 1,94 до 2,18 мкм или 2,50 до 2,80 мкм при точности измерения 0,00004 мкм.

4. Способ высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C по п.1, отличающийся тем, что измерение поглощения инфракрасного излучения проводится при парциальных давлениях ¹⁴CO₂, лежащих в диапазоне от 0,1 до 0,5 атм и общем давлении до 0,5 атм, в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от 4,00 до 4,50 мкм при точности измерения 0,00004 мкм, или в диапазоне длин волн от 14,00 до 17,00 мкм при точности измерения 0,0004 мкм, а в многопроходной кювете в диапазонах длин волн от 1,94 до 2,18 мкм или 2,50 до 2,80 мкм при точности измерения 0,00001 мкм.

5. Способ высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C по п.1, отличающийся тем, что измерение поглощения инфракрасного излучения проводится при парциальных давлениях ¹⁴CO₂, лежащих в диапазоне от 0,01 до 0,1 атм и общем давлении до 0,1 атм, в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от 4,00 до 4,50 мкм при точности измерения 0,00001 мкм, или в диапазоне длин волн от 14,00 до 17,00 мкм при точности измерения 0,00006 мкм, а в многопроходной кювете в диапазонах длин волн от 1,94 до 2,18 мкм или 2,50 до 2,80 мкм при точности измерения 0,000004 мкм.

6. Способ высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C по п.1, отличающийся тем, что измерение поглощения инфракрасного излучения проводится при парциальных давлениях ¹⁴CO, лежащих в диапазоне от 0,5 до 1,0 атм и общем давлении 1 атм, в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от 4,50 до 5,10 мкм при точности измерения 0,0001 мкм, а в многопроходной кювете в диапазоне длин волн от 2,30 до 2,50 мкм при точности измерения 0,00003 мкм.

7. Способ высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C по п.1, отличающийся тем, что измерение поглощения инфракрасного излучения проводится при парциальных давлениях ¹⁴CO, лежащих в диапазоне от 0,1 до 0,5 атм и общем давлении до 0,5 атм, в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от 4,50 до 5,10 мкм при точности измерения 0,00003 мкм, а в многопроходной кювете в диапазоне длин волн от 2,30 до 2,50 мкм при точности измерения 0,00001 мкм.

8. Способ высокочувствительного контроля долгоживущего глобального радионуклида ¹⁴C по п.1, отличающийся тем, что измерение поглощения инфракрасного излучения проводится при парциальных давлениях ¹⁴CO, лежащих в диапазоне от 0,01 до 0,1 атм и общем давлении до 0,1 атм, в однопроходной кювете в диапазоне длин волн от 4,50 до 5,10 мкм при точности измерения 0,00001 мкм, а в многопроходной кювете в диапазоне длин волн от 2,30 до 2,50 мкм при точности измерения 0,000005 мкм.